Физики коллаборации ALICE, проводящие исследования на Большом адронном коллайдере (БАК), впервые измерили вероятность аннигиляции ядер антиматерии. Это позволило установить прозрачность Млечного Пути для антиядер, источником которых является темная материя. Результаты исследования, опубликованные в журнале Nature Physics, помогут доказать существование таких янтиядер и определить количество темной материи в галактике.
Теоретические модели предсказывают, что темная материя (ТМ) может состоять из слабовзаимодействующих частиц, аннигиляция которых порождает ядра антиатомов, состоящих из антипротонов и антинейтронов. Например, ядра антигелия-3 состоят из двух антипротонов и одного антинейтрона. Другим возможным источником антиядер во Вселенной являются столкновения высокоэнергетических космических лучей с атомами в межзвездной среде. Отличить один источник от другого можно по распределению кинетической энергии антиядер: ожидается, что антиатомы, образованные аннигиляцией ТМ, дадут пик при более низких энергиях, чем в случае космических лучей.
Однако для расчета ожидаемого потока антиядер, источником которых является темная материя, вблизи Земли необходимо знать, насколько прозрачным для них является межзвездное вещество Млечного Пути. Антиядра, генерируемые в галактике, могут путешествовать на расстояния в тысячи световых лет, прежде чем столкнутся с веществом и аннигилируются. Единственным способом производить антиядра и изучать, как они взаимодействуют с веществом, на Земле являются ускорители частиц высоких энергий, однако до сих пор сведения о взаимодействии легкой антиматерии с обычной материей ограничены.
Исследователи определили вероятность аннигиляции ядра антигелия-3 с помощью детектора ALICE на БАК и использовали это значение для расчета прозрачности Млечного Пути для распространения антиядер, источником которых является темная материя. Оказалось, что примерно половина ядер антигелия-3 должна добраться до окрестностей Земли, при этом это число меняется от 25 до 90 процентов в случае антиядер, возникших при столкновении космических лучей с межзвездной средой.
Результаты эксперимента ALICE на LHC имеют большое значение для поиска антиматерии в космосе с помощью модуля AMS-02 (Альфа-магнитный спектрометр) на Международной космической станции (МКС). Начиная с 2025 года в рамках эксперимента на воздушном шаре GAPS над Арктикой будут проводиться поиски антигелия-3 в составе космических лучей.